地鐵線路最小線間距及其曲線加寬計(jì)算探討

楊作剛 歐陽全裕

(1.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司,300392,天津; 2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,300051,天津∥第一作者,高級(jí)工程師)

地鐵線路最小線間距及其曲線加寬計(jì)算探討

楊作剛1歐陽全裕2

(1.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司,300392,天津; 2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,300051,天津∥第一作者,高級(jí)工程師)

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)雙線并行地段最小線間距及曲線加寬計(jì)算尚無明確規(guī)定。依據(jù)GB 50090—2006《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,結(jié)合地鐵線路及車輛相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析研究,提出了計(jì)算方法并列出了計(jì)算成果表,以供設(shè)計(jì)參考。

地鐵; 線間距; 曲線加寬

地鐵雙線并行地段線路中心線之間的距離簡稱線間距。在保證兩線雙向行車安全距離的前提下,為減少占地、節(jié)省工程投資,工程設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)線路條件、車輛類型、車輛及設(shè)備限界等計(jì)算線間距,以合理確定最小線間距這一重要參數(shù)。

現(xiàn)行GB 50090—2006 《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《線規(guī)》)對(duì)區(qū)間線路線間距及曲線加寬均有條文規(guī)定,明確了區(qū)間直線地段最小線間距,并附有曲線地段線間距加寬計(jì)算公式,列出不同半徑曲線的線間距加寬值表,可直接查用。而現(xiàn)行GB 50157—2013 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《設(shè)規(guī)》)對(duì)雙線并行地段(直線/曲線)線間距均無明確條文規(guī)定,也無相關(guān)計(jì)算方法說明,且具體工程設(shè)計(jì)處理辦法不盡相同。由于線間距過小會(huì)給行車安全帶來隱患,而線間距太大又會(huì)造成工程投資浪費(fèi),故有必要對(duì)此進(jìn)行深入探討。本文依據(jù)《線規(guī)》相關(guān)辦法,結(jié)合地鐵線路、車輛參數(shù)等進(jìn)行分析。

1 雙線并行區(qū)間直線地段最小線間距

1.1 《設(shè)規(guī)》最小線間距計(jì)算

《設(shè)規(guī)》對(duì)區(qū)間地面、高架線路雙線并行直線地段最小線間距未做明確規(guī)定,其限界章節(jié)5.16條規(guī)定為:“相鄰區(qū)間雙線,當(dāng)兩線間無墻、柱及其他設(shè)備時(shí),兩設(shè)備限界之間的安全距離不得小于100 mm”,按此計(jì)算得出的最小線間距詳見表1。

表1 按限界控制點(diǎn)計(jì)算的地面及高架線直線地段最小線間距

由表1可見,理論計(jì)算的最小線間距按0.1 m取整,采用A型車時(shí)取3.3 m,采用B型車時(shí)取3.2 m。

天津地鐵1、2、3號(hào)線(采用B型車)最小線間距均為3.6 m;上海軌道交通1號(hào)線(采用A型車)最小線間距為3.8 m。其他城市地鐵亦大致如此?？梢?，《設(shè)規(guī)》線間距均有較大的優(yōu)化空間,采用A、B型車的富余量分別為0.5 m、0.4 m。

由此可見,在地鐵工程實(shí)際設(shè)計(jì)中,為節(jié)省工程投資和減少占地,可考慮設(shè)計(jì)較小的最小線間距,曲線地段則按規(guī)定加寬。

1.2 《線規(guī)》最小線間距相關(guān)規(guī)定

根據(jù)GB 146.1 《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路車輛限界》，最小線間距按列車不限速會(huì)車時(shí)列車間的安全距離要求,以列車最高行車速度分檔確定。例如，當(dāng)列車設(shè)計(jì)行車速度≤140 km/h時(shí),線路的直線地段最小線間距為4.0 m。

2 曲線地段線間距加寬計(jì)算

在曲線地段運(yùn)行的列車車體兩端會(huì)向線路外側(cè)偏移,而車體中部會(huì)向線路內(nèi)側(cè)偏移,而且曲線外軌超高還會(huì)使車體向曲線內(nèi)側(cè)傾斜。車體的傾斜勢必要侵占兩線之間的空間。為保證兩線間必要的安全距離,地鐵雙線并行曲線地段的最小線間距需比直線地段寬。

2.1 《線規(guī)》曲線加寬相關(guān)規(guī)定

《線規(guī)》第3.1.8條明確規(guī)定：“當(dāng)區(qū)間曲線相鄰兩端直線采用最小線間距時(shí),曲線地段線間距應(yīng)按規(guī)定加寬”,且加寬值也列于表中。例如，某路段列車設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h,當(dāng)外側(cè)線路曲線超高大于內(nèi)側(cè)線路曲線超高時(shí),在曲線半徑為1 000 m的曲線地段，線間距加寬值經(jīng)查表可知為155 mm。

2.2 《設(shè)規(guī)》曲線地段設(shè)備限界加寬計(jì)算規(guī)定

《設(shè)規(guī)》在附錄D中D.0.2條明確：曲線地段車輛限界或設(shè)備限界偏移量計(jì)算應(yīng)包括平面曲線或豎曲線引起的幾何偏移量、過超高或欠超高引起的限界加寬和加高量、曲線軌道參數(shù)及車輛參數(shù)變化引起的限界加寬量等3項(xiàng)因素。

(1) 附錄D中的平面曲線或豎曲線引起的車體幾何偏移量表未列出計(jì)算公式,故不明確該偏移量是由平面曲線引起的還是豎曲線引起的,或是由兩者疊加引起的,不便于設(shè)計(jì)者使用。

(2) 附錄D列出了“過超高或欠超高引起的設(shè)備限界加寬或加高量”(表D.0.2-4)。在先期土建工程設(shè)計(jì)階段,因軌道超高或欠超高數(shù)值難以確定,故按表D.0.2-4來計(jì)算設(shè)備限界偏移量,在設(shè)計(jì)程序操作上有難度。

(3)附錄D還列出了曲線軌道參數(shù)及車輛參數(shù)變化引起的加寬量計(jì)算公式。根據(jù)公式,計(jì)算可得不同曲線對(duì)應(yīng)的設(shè)備限界加寬量,詳見表2。

2.3 曲線地段線間距加寬計(jì)算方法

現(xiàn)行《設(shè)規(guī)》對(duì)雙線并行曲線地段線間距加寬既未做明確規(guī)定,也無計(jì)算方法說明。在地鐵線路設(shè)計(jì)中,通常仍沿用92版《設(shè)規(guī)》的曲線加寬基本公式來計(jì)算曲線內(nèi)、外側(cè)偏移量,以及軌道、車輛參數(shù)變化引起的偏移預(yù)留值C,進(jìn)而計(jì)算曲線地段的內(nèi)側(cè)線間距加寬值E內(nèi)及外側(cè)線間距加寬值E外。

表2 曲線軌道參數(shù)引起的設(shè)備限界加寬量

(1)

Ycksinα-Xck+C

(2)

式中:

L0——車體長度,B型車為19 000 mm,A型車為22 100 mm;

L1——車輛定距,B型車為12 600 mm,A型車為15 700 mm;

a——車輛固定軸距,B型車為2 300 mm,A型車為2 500 mm;

R——曲線半徑;

α——車體豎向傾角,α=arcsin(h/s);

Xck——車體橫向控制點(diǎn)坐標(biāo);

Yck——車體縱向控制點(diǎn)坐標(biāo);

C——考慮車輛及軌道交通參數(shù)變化而預(yù)留的加寬值。

2.3.1 平面曲線引起的車體幾何偏移量

平面曲線引起車體幾何偏移量計(jì)算結(jié)果見表3。表3中的值恰與現(xiàn)行《設(shè)規(guī)》附錄表D.0.2-1和表D.0.2-2中值吻合。這說明該附錄表中的偏移量并不含因曲線外軌豎向超高引起車體傾斜而產(chǎn)生的橫向偏移量。

表3 平面曲線引起的車體幾何偏移量

2.3.2 曲線外側(cè)軌道豎向超高引起的橫向偏移量

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),曲線外側(cè)軌道豎向引起的橫向偏移量為負(fù)值。這說明因軌道豎向超高引起車體內(nèi)傾而產(chǎn)生的橫向偏移實(shí)際為向曲線內(nèi)側(cè)偏移的。這也說明當(dāng)左、右線設(shè)置相同的超高時(shí),內(nèi)側(cè)線上車體內(nèi)傾產(chǎn)生的向曲線內(nèi)側(cè)偏移對(duì)線間距加寬是有利的。

《設(shè)規(guī)》對(duì)線間距加寬計(jì)算尚無明確規(guī)定。為方便設(shè)計(jì),本文依據(jù)GB 146.2 《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》規(guī)定及《線規(guī)》相關(guān)規(guī)定,結(jié)合地鐵線路及車輛參數(shù)等計(jì)算確定線間距加寬值。根據(jù)《線規(guī)》,當(dāng)外側(cè)線路實(shí)設(shè)超高(hw)等于或小于內(nèi)側(cè)線路實(shí)設(shè)超高(hn)時(shí),車體內(nèi)傾不影響線間距；故線間距加寬值即為平面曲線引起的曲線內(nèi)、外側(cè)車體幾何偏移量之和(見表3)。當(dāng)外側(cè)線路實(shí)設(shè)超高大于內(nèi)側(cè)線路實(shí)設(shè)超高時(shí),外側(cè)線路車體內(nèi)傾距離大于內(nèi)側(cè)線路車體內(nèi)傾距離,故超高引起的加寬量Wh為:

(3)

式中:

Wh——超高引起的加寬量,mm;

hw——外側(cè)線路實(shí)設(shè)超高,mm;

hn——內(nèi)側(cè)線路實(shí)設(shè)超高,mm;

H——自軌面至車輛限界計(jì)算點(diǎn)的高度,mm;按《設(shè)規(guī)》附錄D,當(dāng)橫向偏移計(jì)算點(diǎn)取車頂處時(shí),H=3 800 mm。

簡化式(3)得:

Wh=2.53(hw-hn)

(4)

式(4)中，hw、hn與內(nèi)、外側(cè)線路的列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度有關(guān),而列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度又與線路平面曲線半徑和縱斷面坡度有關(guān)。由于行車組織和軌道設(shè)計(jì)滯后,上述參數(shù)難以在線路設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確確定,且根據(jù)曲線超高逐個(gè)計(jì)算加寬值過于繁瑣,故為保證行車安全,按曲線超高設(shè)置的最不利情況來計(jì)算,以使線間距有足夠的寬度。《線規(guī)》根據(jù)曲線超高的允許設(shè)置范圍,以超高上界作為外側(cè)線超高,下界作為內(nèi)側(cè)線超高,并設(shè)定hw-hn≤hw/2。據(jù)此,地鐵線路按《設(shè)規(guī)》允許的超高設(shè)置范圍：當(dāng)曲線半徑為600 m及以下時(shí),外側(cè)線路超高取120 mm,內(nèi)側(cè)線路超高取60 mm;當(dāng)曲線半徑大于600 m時(shí),外側(cè)線路超高為計(jì)算值,內(nèi)側(cè)線路超高取外側(cè)線路超高的1/2。按式(4)計(jì)算可得因線路超高引起的線間距加寬量(見表4)。

表4 外側(cè)線路超高大于內(nèi)側(cè)線路超高引起的線間距加寬量

2.3.3C值的研討

在《設(shè)規(guī)》頒布之前,地鐵線路實(shí)際設(shè)計(jì)中,為簡化設(shè)計(jì),部分工程設(shè)備限界加寬計(jì)算考慮了預(yù)留軌道及車輛參數(shù)變化的影響。

《設(shè)規(guī)》明確了曲線地段C值的計(jì)算公式,并簡化了計(jì)算過程,其計(jì)算結(jié)果(見表4)。設(shè)備限界加寬計(jì)算時(shí)應(yīng)將C值予以納入。

表5 不同R時(shí)對(duì)應(yīng)的C值

無論是地鐵還是鐵路,區(qū)間并行地段兩線間均不會(huì)設(shè)置桿、柱、墻等?？梢?，線間距實(shí)際上與設(shè)備限界并無直接關(guān)系。事實(shí)上,一般鐵路的機(jī)車、車輛及軌道技術(shù)條件并不比地鐵優(yōu)良,但《線規(guī)》的曲線線間距加寬計(jì)算,卻從未考慮車輛、軌道參數(shù)變化引起的加寬量?；谏鲜鲆蛩?C值擬不計(jì)入線間距加寬值計(jì)算。在具體工程設(shè)計(jì)中,由設(shè)計(jì)者根據(jù)工程實(shí)際情況酌定。

2.3.4 曲線地段線間距加寬值

雙線并行曲線地段兩線路間無桿、柱、墻等。如曲線兩端均為最小線間距,則當(dāng)外側(cè)線路超高等于或小于內(nèi)側(cè)線路超高時(shí),曲線地段線間距加寬值為平面曲線引起的車體幾何偏移量,即表3中偏移量之和;當(dāng)外側(cè)線路超高大于內(nèi)側(cè)線路超高時(shí),曲線地段線間距加寬值還應(yīng)加上線路超高引起車體傾斜而產(chǎn)生的橫向偏移量(表4中的加寬量)。綜合這兩種情況,曲線地段線間距加寬值如表6所示。

表6中線間距加寬值按內(nèi)、外側(cè)線路曲線超高設(shè)置情況區(qū)分計(jì)算。這也與鐵路標(biāo)準(zhǔn)一致,更趨合理。按地鐵行車速度80 km/h,對(duì)應(yīng)不同曲線半徑計(jì)算得到的加寬值,與《線規(guī)》中線間距加寬值對(duì)比可見,表6加寬值略小。這是由鐵路列車與地鐵列車的車輛參數(shù)差異引起的,也是切合實(shí)際的。

使用表6時(shí)還須注意幾點(diǎn):

(1) 應(yīng)結(jié)合具體工程項(xiàng)目和限界專業(yè)等提供的正式資料與表6進(jìn)行核對(duì)檢算。

(2) 本表按最高行車速度為80 km/h編制,當(dāng)曲線半徑為450 m及以上時(shí),行車速度已大于為80 km/h,其線間距加寬值可根據(jù)行車速度(最高為100 km/h)、曲線半徑及相應(yīng)線路超高(最大超高為120 mm)等參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。

(3) 當(dāng)內(nèi)、外側(cè)線路有曲線超高的準(zhǔn)確資料,且hn比hw/2大較多時(shí),可按式(4)計(jì)算調(diào)小因超高引起車體內(nèi)傾產(chǎn)生的偏移量及線間距,如考慮留有安全余量,亦可不作調(diào)整。

表6 區(qū)間直線地段為最小線間距時(shí)曲線地段的線間距加寬值

(4)矩形隧道采用表1—表3中曲線內(nèi)、外側(cè)偏移量加寬計(jì)算建筑限界時(shí),還應(yīng)按《設(shè)規(guī)》要求,另行考慮測量誤差、施工誤差、結(jié)構(gòu)沉降、位移變形等因素。

3 結(jié)語

《設(shè)規(guī)》對(duì)雙線并行直線地段最小線間距及曲線地段線間距加寬計(jì)算均無條文明確規(guī)定。本文按《設(shè)規(guī)》限界章節(jié)中的相關(guān)條文規(guī)定,計(jì)算得出地鐵直線地段最小線間距。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有地鐵線路實(shí)際采用的最小線間距有較大的優(yōu)化空間。為節(jié)省工程投資和減少占地,在地鐵具體工程實(shí)際設(shè)計(jì)中,可考慮設(shè)計(jì)較小的線間距:采用國產(chǎn)A型及B型車時(shí)的最小線間距分別為3.3 m及3.2 m。

當(dāng)確定采用較小線間距時(shí),曲線地段的線間距則應(yīng)按規(guī)定予以加寬。本文參照《線規(guī)》的相關(guān)規(guī)定及計(jì)算辦法,結(jié)合地鐵線路及車輛參數(shù)等因素計(jì)算出曲線地段線間距加寬值,并提出了使用該計(jì)算值時(shí)的主要注意事項(xiàng),以供設(shè)計(jì)參考。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50157—2013 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50090—2006 [S].北京:中國計(jì)劃出版社,2006.

[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)局.標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路車輛限界:GB 146.1[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1983.

[4] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)局.標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界:GB 146.2[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1983.

[5] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.天津地鐵2、3號(hào)線限界設(shè)計(jì)資料[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2006.

[6] 歐陽全裕.地鐵輕軌線路設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[7] 歐陽全裕,楊作剛,姜傳治.關(guān)于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中部分條文的討論[J].城市軌道交通研究,2006(4):14-17.

Calculation of Metro Minimum Line Spacing and Curveline Spacing Widening

YANG Zuogang, OUYANG Quanyu

According to the current “Specification for Metro Design” GB50157—2013, there are no clear rules and calculation methods for the minimum line spacing and curveline spacing widening on the double parallel sections. Based on the “National Standard for Railway Line Design” GB50090—2006, and combined with an analysis of the characteristics of metro lines and related vehicle parameters, a calculation method is put forward and a calculation table is made as a reference for the designers.

metro; line spacing; curveline spacing widening

Tianjin Rail Transit Group Co.,Ltd.,300392,Tianjin,China

U 231.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.003

2016-05-20)